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细胞的秘密,查探病因,这款VR设备让科学家在你的身体解密

发布时间:2021-04-08


物理学家Richard Feynman1959年在加州理工学院的 “微观国际有无限的空间 ”讲演中鼓励他的听众们去研发功用更加强大的显微镜,这样生物学家就可以探求肉眼不能见的“惊人的小国际”。他说,假设我们能“看见那些东西”,答复基本的生物学问题就会变得简略得多。

几年后,在科幻电影《奇幻之旅》(Fantastic Voyage)中,一个潜艇队员将自己缩小到微观尺度,并进入人体履行批改大脑损害的任务。1966年的电影预告片中说,这部电影 “把你所知道和了解的国际的界限下拉”,把观众送到了 “前无古人、后无来者的当地”。


现在,科学家们将本世纪中叶物理学家和电影制片人的愿景结合在一起,形成了一种时髦的虚拟现实领会。在上星期宣告在《天然医学》上的一篇论文中,研讨人员描绘了一款使科学家可以运用虚拟现实(VR)头盔进入细胞或其他生物结构内部并进行探求的新式软件。

这不是电脑生成的领会。超分辩显微镜拍下了这些活细胞的图像。然后,软件将显微镜中的二维数据转换为三维沉溺式可视化图像。这种新鲜的、近乎个人化的生物结构查询,或许让研讨人员更好地了解细胞的内部运作,并寻觅疾病的成因。

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剑桥大学的生物物理化学家Steven Lee说:“我们正试图找到风趣的方法来‘看见这些东西’。”他是该论文的共同作者。Lee和他在剑桥的伙伴们经过与3D图像分析公司Lume VR协作创建了这款软件。

布里斯托尔大学Polymaths实验室的负责人(未参加该项目)Hermes Bloomfield-Gadêlha说:“辨认天然界中的方式是科学行进的基石。这是一个令人兴奋的新进展,它将使我们可以看到方式,并与隐秘和古怪的分子国际的结构进行互动。”
Lee慷慨地抽出时间带领我观赏了一个脑细胞,或者说神经元。我们从神经元的鸟瞰图初步。它的轴突,即细长的管状突起,以电脉冲的方式将信息从一个脑细胞传递到另一个脑细胞。当我们扩大看时, Lee说:“你看到的这些小管子是你的神经元交流的基石,思维、主见和感觉从这些管子中间流过。”

我们靠近查询了轴突,发现这些管状结构是由一系列称为光谱蛋白的环形成的。“这些环之间的空间是100纳米规划的。所以它非常小,你知道 —— 千亿分之一米。”他叙说道。

令人感兴趣的是悬挂在光谱环支架外的分子。“它们是漂浮在轴突中,还是与轴突的壁有关?”他反问道。我们现在可以测验答复这些问题,“而这个问题用其他研讨方法来回答都将会是好不容易的,“Lee说。
这款名为vLUME的软件容许科学家们切开并操作感兴趣的子区域的视图。就像从一根螺旋吸管往桶里边看相同,我们看到了一个末端被翻开的轴突的切开部分。(这真是一种令人难以置信的领会。究竟我们正在查询容许我们思考该结构的结构。)
我们查询了四个在虚拟框中的轴突子段,然后扩大同时查询他们。”我们可以做一些定量丈量,看看它们有什么不同,”Lee说。查询健康区域与患病区域的结构差异可以帮助研讨人员了解疾病的成因。


我们进一步查询了研讨成果 —— 轴突、四个虚拟框,一些分析,还有一些手写的笔记。它很美,我们不光可以看到科学家怎样利用它来研讨一个结构,还了解到科学家是怎样向国际解释这些结构的。
假设没有超分辩率显微镜,这项技术是不或许完成的,该显微镜在2014年获得了诺贝尔化学奖。这种光学显微镜技术绕过了衍射极限 —— 一种将光学分辩率约束在大约250纳米的物理屏障,曾经人们认为它是不可逾越的。
超分辩率显微镜容许研讨人员以大约5到10纳米的分辩率完成生物结构成像。但这些图像通常是二维的。由于生命是三维的,科学家们一直在研讨怎样从这些二维图片中推断出三维信息。但事实证明,以一种沉溺式和原生的方法与3D数据进行交互是很困难的。

vLUME软件运用由数百万个单独的点组成的超分辩率图像的数据,这些点又称为萤光团,代表了单个分子的3D方位。vLUME先将这些信息烘托为点云,或空间中的一组数据点。接着对点云进行探求和分割。然后,该软件运用聚类算法对复杂的数据集进行分析,以找到生物结构的方式。



该软件将免费提供给学术界运用。用户需要的只是一个VR头盔。该软件现在的迭代只能带领研讨人员浏览一张细胞的静态图片。Lee和他的伙伴们期望在未来将其晋级为实时的、移动的活细胞图像,但现在,成像的滞后时间从十分钟到一个小时不等。


研讨人员已经在运用该东西来了解免疫细胞怎样确认体内哪些细胞已被病原体感染,以及蛋白质怎样在疾病中差错折叠。"它让我们可以以一种直观的方法向人们展示数据,然后非常迅速地扫除差错假说,"Lee说。

但‘看见这些东西‘的才能或许只是一个初步。Bloomfield-Gadêlha说:“未来与数学建模和仿照,乃至机器人等多学科的互动,可以赋予我们预测这些3D分子国际的才能,以及我们对天然界分子多元国际的深层次了解。"

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